KR101220015B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 윈도우층;을 포함하고, 상기 윈도우층은 상기 기판 상면의 일부가 노출되도록 형성된 제1 관통홈들을 메우도록 형성된다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리지지기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 버퍼층, n형 투명전극층 등을 포함하는 지지기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
또한, 이러한 태양전지의 효율을 증가시키기 위해서 다양한 연구가 진행 중이다.
실시예는 복수개의 태양전지 셀들이 단락되는 현상을 방지하여 신뢰성 및 광-전 변환효율이 향상된 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 윈도우층;을 포함하고, 상기 윈도우층은 상기 기판 상면의 일부가 노출되도록 형성된 제1 관통홈들을 메우도록 형성된다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 및 광 흡수층의 일부를 제거하여 상기 기판의 일부 상면이 노출되도록 제1 관통홈들을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층의 상면에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 관통홈들을 메우도록 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따르면, 저항이 높은 윈도우층이, 다수개의 후면전극들로 구분하기 위해 지지기판의 상면이 노출되도록 형성된 제1 관통홈들을 메우도록 형성되므로 상기 제1 관통홈들 사이의 후면전극들 사이로 전류가 흘러 복수개의 태양전지 셀들이 단락되는 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라, 태양전지의 신뢰성이 증가할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1 에서 A-A`를 따라서 절단한 단면을 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 8은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 지지기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 지지기판, 층, 막, 또는 전극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1에서 A-A`선을 따라서 절단한 단면을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 상기 지지기판(100) 상에 후면전극층(200), 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300), 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500), 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500), 윈도우층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다.
상기 지지기판(100)이 소다 라임 글래스인 경우, 소다 라임 글래스에 함유된 나트륨(Na)이 태양전지의 제조공정 중에 CIGS로 형성된 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있는데, 이에 의해 광 흡수층(300)의 전하 농도가 증가하게 될 수 있다. 이는 태양전지의 광-전 변환 효율을 증가시키는 요인이 될 수 있다.
이외에, 지지기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 후면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 후면전극층(200)은 열팽창 계수의 차이로 인하여 상기 지지기판(100)과 박리현상이 발생되지 않도록 상기 지지기판(100)과 접착성이 우수하여야 한다.
이러한 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 작기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고 상술한 후면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극층(200)에는 제1 관통홈들(TH1)이 형성된다. 상기 제1 관통홈들(TH1)은 상기 지지기판(100) 상면의 일부를 노출하는 오픈 영역이다. 상기 제1 관통홈들(TH1)은 평면에서 보았을 때, 일 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 관통홈들(TH1)에 의해 노출된 지지기판(100)의 폭은 약 50㎛ 내지 150㎛ 일 수 있다.
상기 제1 관통홈들(TH1)에 의해서, 상기 후면전극층(200)은 다수 개의 후면전극들로 구분된다. 즉, 상기 제1 관통홈들(TH1)에 의해서, 후면전극들이 정의된다.
상기 후면전극들은 스트라이프 형태로 배치된다. 이와는 다르게, 상기 후면전극들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1 관통홈들(TH1)은 평면에서 보았을 때, 격자 형태로 형성될 수 있다.
상기 후면전극층(200) 상에는 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(300) 상에는 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 형성될 수 있다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(600) 박막간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.
상기 버퍼층(400)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS 등이 있고 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.
상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(600)의 저항은 상기 후면전극층(200)의 저항보다 높다.
도시된 바와 같이, 상기 제1 관통홈들(TH1)에 의해 상기 지지기판(100) 상면의 일부가 노출될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)이 상기 제1 관통홈들(TH1)을 메우도록 형성되는 경우, 상기 광 흡수층(300)은 저항이 낮아 상기 제1 관통홈들(TH1) 주위의 후면전극층(200)을 흐르는 전류가 상기 광 흡수층(300)을 통해 흐를 수 있으므로 복수개의 태양전지 셀들이 단락(short)될 우려가 있다.
상기와 같은 문제점을 방지하기 위해, 노출된 상기 지지기판(100)의 상면에 윈도우층(600)을 형성한다.
상기 윈도우층(600)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화물은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg) 또는 갈륨(Ga) 등의 도전성 불순물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 윈도우층(600)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO), 붕소 도핑된 징크 옥사이드(B doped zinc oxide;BZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
상기 윈도우층(600)은 산화물을 포함하고 상기 광 흡수층(300)에 비해 전기저항이 높기 때문에, 상기 제1 관통홈들(TH1) 양측의 후면전극층(200)을 흐르는 전류가 상기 제1 관통홈들(TH1)을 메우도록 형성되는 상기 윈도우층(600)을 통해 흐르는 것을 방지할 수 있으므로, 소자의 신뢰성 및 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.
도 3 내지 도 8은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다.
도 3을 참고하면, 지지기판(100) 상에 후면전극층(200) 및 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 후면전극층(200) 및 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 예를 들어 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 후면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 후면전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
도 4를 참고하면, 상기 후면전극층(200) 및 광 흡수층(300)이 패터닝되어 제1 관통홈들(TH1)이 형성된다. 이에 따라서, 상기 지지기판(100) 상에 다수 개의 후면전극층(200) 및 광 흡수층(300)으로 분리된다.
상기 후면전극층(200)은 레이저에 의해서 패터닝될 수 있다. 레이저는 상기 지지기판(100)의 상면 또는 하면에서 주사될 수 있다.
상기 제1 관통홈들(TH1)은 상기 지지기판(100)의 상면을 노출하며, 약 50㎛ 내지 약 150㎛의 폭을 가질 수 있다.
도 5를 참조하면 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
자세하게, 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath depositon;CBD) 등에 의해서 증착되고, 상기 버퍼층(400)이 형성된다.
이후, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
상기 버퍼층(400) 및 상기 고저항 버퍼층(500)은 낮은 두께로 증착된다. 예를 들어, 상기 버퍼층(400) 및 상기 고저항 버퍼층(500)의 두께는 약 1㎚ 내지 약 100㎚이다.
상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)은 상기 후면전극층(200) 및 광 흡수층(300)의 측면에도 형성되고, 상기 제1 관통홈들(TH1)에 의해 노출된 상기 지지기판(100)의 상면에도 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)의 일부가 제거되어 제2 관통홈들(TH2)이 형성된다.
상기 제2 관통홈들(TH2)은 팁 등의 기계적인 장치 또는 레이저 장치 등에 의해서 형성될 수 있다.
이때, 상기 제2 관통홈들(TH2)의 폭은 약 50㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다.
또한, 상기 제2 관통홈들(TH2)은 상기 후면전극층(200)의 상면의 일부를 노출하도록 형성된다.
도 7을 참고하면, 윈도우층(600)이 상기 고저항 버퍼층(500)의 상면과 제1 및 제2 관통홈들(TH1, TH2)을 메우도록 형성된다.
상기 윈도우층(600)은 스퍼터링 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)의 방법으로 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지 않는다.
상기 윈도우층(600)은 상기 제2 관통홈들(TH2) 내측에서 상기 후면전극층(200)의 상면에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 관통홈들(TH1, TH2) 내측에 상기 투명한 도전물질이 채워지고, 상기 윈도우층(600)은 상기 후면전극층(200)과 전기적으로 연결된다.
상기 윈도우층(600)은 투명한 도전물질이 증착되어 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 윈도우층(600)은 산소를 포함하지 않는 불활성 기체 분위기에서 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드가 증착되어 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지 않는다.
도 8을 참조하면, 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 상기 윈도우층(600)의 일부가 제거되어 제3 관통홈들(TH3)이 형성된다. 이에 따라서, 상기 윈도우층(600)은 패터닝되어, 다수 개의 윈도우들 및 다수 개의 셀들(C1, C2...)이 정의된다.
상기 제3 관통홈들(TH3)의 폭은 약 50㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다. 상기 후면전극층(200) 및 윈도우층(600)에 의해 다수 개의 셀들(C1, C2...)이 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 후면전극층(200) 및 윈도우층(600)을 통해 전류가 흐를 수 있다.
이때, 광 흡수층(300)이 상기 제1 관통홈들(TH1)을 메우도록 형성되는 경우, 광 흡수층(300)이 포함하는 물질로 인해 낮은 저항값을 가지게 된다. 이에 따라, 상기 제1 관통홈들(TH1)에 의해 분리된 후면전극층(200)을 흐르는 전류가 상기 광 흡수층(300)을 통해 흐르는 경우, 동일한 극끼리 전류가 흐르게 되어 단락(short)되는 문제점이 발생할 수 있다.
이에 따라, 도시된 바와 같이 산화물을 포함하여 저항이 높은 윈도우층(600)이 상기 제1 관통홈들(TH1)을 메우도록 형성하여, 상기 제1 관통홈들(TH1) 사이의 후면전극층(200)을 통해 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 후면전극층;
    상기 후면전극층 상에 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 버퍼층; 및
    상기 버퍼층 상에 윈도우층;을 포함하고,
    상기 기판 상면의 일부가 노출되도록 형성된 제1 관통홈들을 상기 버퍼층 및 윈도우층이 메우도록 형성되는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제1 관통홈들에 의해 노출된 상기 기판의 상면과 접하고, 상기 윈도우층은 상기 버퍼층의 상면과 접하도록 형성되는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우층은 상기 후면전극층보다 높은 저항값을 갖는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우층은 산화물을 포함하는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우층은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 중 하나를 포함하는 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제1 관통홈들의 측면에 형성되는 태양전지.
  7. 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 후면전극층 및 광 흡수층의 일부를 제거하여 상기 기판의 일부 상면이 노출되도록 제1 관통홈들을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층의 상면 및 상기 제1 관통홈들을 메우도록 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 버퍼층의 상면에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 윈도우층은 상기 제1 관통홈들을 형성하는 상기 후면전극층 및 광 흡수층의 측면과 접하도록 형성하는 태양전지 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 관통홈들은 상기 기판의 하면에서 주사되는 레이저에 의해 형성되는 태양전지 제조방법.
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